CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu mô hình lan truyền chất ở ven biển Tình hình nghiên cứu mô hình lan truyền chất ở ven biển trên thế giới Ngày nay, việc sử dụng các mô hình số để tính toán, mô phỏng, đánh giá chất lượng môi trường nước khu vực biển gần bờ, khu bãi tắm, khu nuôi trồng thủy sản đã được thực hiện rất phổ biến trên thế giới. Tùy thuộc vào đối tượng và mục đích nghiên cứu, việc áp dụng các loại mô hình tính toán cũng khác nhau. Có thể liệt kê một số mô hình thường được áp dụng để đánh giá chất lượng nước trên thế giới.
Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô hình được xây dựng dựa trên mô hình trước đó (WASP – được xây dựng bởi Di Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R. Mô hình này được sử dụng để mô phỏng và dự báo chất lượng nước giúp các nhà quản lý đưa ra những quyết định, giải pháp đối phó với các hiện tượng ô nhiễm tự nhiên và từ các hoạt động của con người. Mô hình này cho phép người sử dụng áp dụng trong không gian 1D nhưng cũng có thể mô phỏng tựa 2D và 3D. Mô hình WASP cũng có thể liên kết với các mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích để mô phỏng trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối và vận chuyển trầm tích.
Mô hình WASP đã được sử dụng để mô phỏng quá trình yếm khí trong vịnh Tampa; Cung ứng Photpho cho hồ Okeechobee; Quá trình yếm khí tại cửa sông Neuse River; Ô nhiễm vật chất hữu cơ dễ phân hủy tại cửa sông Delaware, ô nhiễm kim loại nặng tại sông Deep, bắc Carolina. Mô hình AQUATOX là mô hình mô phỏng hệ sinh thái thủy sinh. Mô hình có thể dự báo quá trình suy tàn do nhiều loại chất gây ô nhiễm môi trường như dinh dưỡng, hóa học hữu cơ và ảnh hưởng của chúng lên các hệ sinh thái, bao gồm các loài cá, động vật không xương sống và các loài thực vật thủy sinh. AQUATOX là công cụ hữu hiệu cho các nhà môi trường học, sinh học, những nhà mô hình hóa chất lượng nước và bất kỳ ai cần quan tâm tới việc đánh giá rủi ro và suy giảm các hệ sinh thái thủy sinh.
4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model) được nâng cấp từ mô hình trước đó là QUAL2E hay Q2E (Brown và Barnwell, 1987). Đây là mô hình mô phỏng chất lượng nước suối và sông một chiều có sự tham gia của quá trình xáo trộn hoàn toàn. Một đặc điểm linh hoạt của mô hình này là có thể chạy được trong ngôn ngữ Visual Basic hoặc trong môi trường Excel. Mô hình có những đặc điểm sau: có thể tính toán trên từng phân đoạn của sông và các nhánh sông.
Mô hình tính toán chu trình nitơ; Thông qua các chu trình chuyển hóa nitơ để biểu diễn các hợp chất cacbon (loại ôxy hóa nhanh và chậm), các loại cacbon hữu cơ không sống (các phân tử cacbon, nitơ, phốtpho trong các hợp chất hóa học). Các quá trình thiếu hụt ôxy gần tới giá trị không do các quá trình ôxy hóa, trong đó quá trình khử nitơ là bước tương tác đầu tiên. Tính toán thông lượng trao đổi ôxy hòa tan và các dinh dưỡng giữa trầm tích và nước. DELFT 3D của Viện nghiên cứu thuỷ lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 3 chiều với mô hình chất lượng nước.
Ưu điểm của mô hình này là việc kết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đưa ra những kết quả tính mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia. SMS của Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ xây dựng cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 1, 2 chiều với mô hình chất lượng nước, trong đó mô đun RMA4 là mô hình số trị vận chuyển các yếu tố chất lượng nước phân bố đồng nhất theo độ sâu. Mô đun này có thể tính toán sự tập trung của 6 thành phần bảo toàn hoặc không bảo toàn theo lưới 1 chiều hoặc 2 chiều. ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mô hình số 3D kết hợp giữa module thủy lực với module sinh thái được nhóm nghiên cứu của Trường đại học Hamburg (Đức) phát triển.
Mô hình chủ yếu tính toán dựa trên chu trình của các hợp phần của nitơ và phốtpho trong đó có tính đến cả thực vật và động vật phù du trong nước biển. ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mô hình ba chiều thủy động lực - băng biển - sinh địa hóa. Mô hình được phát triển dựa trên mô hình thủy động lực HAMSOM (HAMburg Shelf Ocean Model) đã được liên kết mô đun động lực -nhiệt động lực biển - băng (Schrum và Backhaus, 1999) và mô đun sinh học (Schrum, 2006). Mô 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đun sinh học NPZD dựa trên quá trình chuyển đổi giữa mức đầu tiên và thứ hai trong chuỗi thức ăn và được điều khiển bởi các thông lượng nitơ, photpho và silic.
Điều quan trọng trong tính toán mô hình này là thống nhất được giới hạn các chu trình dinh dưỡng vĩ mô và động vật phù du như là mô hình chuẩn đoán biến đổi cho các tương tác phi tuyến trong hệ sinh thái của các mức thứ nhất và thứ hai trong chuỗi thức ăn. Thêm vào đó, mô hình còn tính toán sự biến đổi các mảnh vụn và ôxy để có thể đánh giá được lượng còn lại và các quá trình ôxy hóa. Các tính toán về sinh khối sơ cấp và thứ cấp. Mô hình ECOSMO đã được áp dụng một cách thành công trong việc mô tả khu vực có động lực dinh dưỡng yếu ở khu vực Biển Bắc.
BASINS của EPA nhằm trợ giúp đánh giá kiểm tra hệ thống dữ liệu thông tin môi trường, giúp các hệ thống phân tích môi trường và phân tích các phương án quản lý. Một điểm nổi bật của BASINS là đã đưa vào cách tiếp cận mới dựa trên nền tảng lưu vực sông, có kết hợp quản lý dữ liệu không gian thông qua hệ thông tin địa lý GIS. BASINS có thể dùng cho các mục đích sau: Mô phỏng các điều kiện của lưu vực và đánh giá hiện trạng chất lượng nước; Mô phỏng các tác động của việc thay đổi sử dụng đất có tính đến cân bằng nước, mô phỏng các kịch bản nguồn ô nhiễm điểm và diện, xây dựng và phát triển cách quản lý của cả lưu vực. Các nhóm tham số của mô hình bao gồm: Các hợp chất dinh dưỡng của nitơ và phốtpho, DO, BOD, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, bùn.
Bộ phần mềm MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển và được thương mại hoá. Một đặc điểm mạnh của MIKE là rất dễ sử dụng với các giao diện Windows, kết hợp chặt chẽ với GIS (hệ thống thông tin địa lý). MIKE tích hợp các mô đun thuỷ lực (HD) và chất lượng nước (ECOLab), bao gồm: thuỷ lực, truyền tải - khuếch tán chất lượng nước. MIKE là một mô hình với nhiều tính năng mạnh, khả năng ứng dụng rộng rãi cho nhiều dạng thuỷ vực khác nhau.
Tình hình nghiên cứu mô hình lan truyền chất ở ven biển Việt Nam Ở nước ta, trong những năm gần đây, việc xây dựng và ứng dụng mô hình trong nghiên cứu thủy động lực – môi trường đang rất được quan tâm. Trong đó những nghiên cứu, điều tra, tính toán ô nhiễm môi trường các vũng, vịnh và khu vực ven 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com biển - khu vực tập trung chủ yếu các hoạt động kinh tế của con người, ngày càng được tập trung phát triển. Chương trình hợp tác với Cơ quan hợp tác Quốc tế Nhật Bản - JICA (1995 – 1998) của Viện Tài nguyên và Môi trường biển – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã bước đầu sử dụng phương pháp tính dòng vật chất bổ sung (Flux) và quy nguồn (Budget) chạy trên phần mềm chuyên dụng CABARET of LOICZ (Mỹ) để đánh giá mức độ tích tụ và khuếch tán vật chất tại một số điểm thuộc vịnh Hạ Long. Sau đó, phương pháp nghiên cứu này còn được sử dụng tính toán mức độ dinh dưỡng của hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (Thừa Thiên - Huế).
Tuy nhiên, phương pháp này chưa tính toán đến quá trình khuếch tán vật chất trong không gian và chỉ giới hạn tại một số điểm nhất định. Trong phạm vi luận án tiến sĩ, Hoàng Dương Tùng (2004), đã nghiên cứu sử dụng phần mềm DELFT 3D - WAQ đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của Hồ Tây xét đến khả năng biến động các yếu tố DO, BOD, COD, NH4+, NO3-, PO4- theo không gian 2 chiều và biến đổi theo thời gian với mục đích xây dựng căn cứ khoa học trong việc xây dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển Hồ Tây. Trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ, Trần Lưu Khanh (2006) và các cộng sự cũng dựa trên quá trình chuyển hóa các hợp chất dinh dưỡng, hữu cơ cũng như chế độ thủy động lực tại thủy vực nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu sức chịu tải và khả năng tự làm sạch tại khu vực nuôi cá lồng bè ở Phất Cờ (Quảng Ninh) và Tùng Gấu (Hải Phòng). Trong một số nghiên cứu thuộc chương trình cấp Nhà nước và cấp Bộ, các đề tài đã triển khai theo hướng: đánh giá nguồn thải (như ô nhiễm biển do sông truyền tải ra, thuộc đề tài KT.07 - 1996), đánh giá tổn thất môi trường do các hoạt động kinh tế gây ra với vùng ven biển,.
Tuy nhiên, những nghiên cứu này chưa thể hiện được mức độ chi tiết cao trong thủy vực nhỏ và số lượng các biến môi trường còn hạn chế, đồng thời còn mang tính chất vĩ mô cho khu vực nghiên cứu. Bài báo “Đánh giá chất lượng nước vùng cửa sông và biển ven bờ để định hướng giải pháp công nghệ xử lý phù hợp cho mục đích cấp nước sinh hoạt” của PGS.TS Trần Đức Hạ và cộng sự đánh giá chất lượng nước và khả năng sử dụng nước từ các 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vùng cửa sông và ven biển để cấp nước sinh hoạt đồng thời đề xuất công nghệ màng lọc xử lý nước lợ và nước mặn vùng cửa sông và ven biển để cấp nước sinh hoạt được đăng trên Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng số 10/9 – 2011 [4]. Bài báo “Dự báo mức độ ô nhiễm môi trường do phát triển công nghiệp trên địa bản tỉnh Long An đến năm 2020” của tác giả Nguyễn Văn Phước và công sự sử dụng mô hình ISC 3 và MIKE 11 để xác định mức độ lan truyền ô nhiễm môi trường không khí và nước.